《軟件工程》?精品課件合集第X章XXXX模塊6

面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)6.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1.1架構(gòu)設(shè)計(jì)6.1.1架構(gòu)設(shè)計(jì)從80年代末開始，軟件的規(guī)模和復(fù)雜度急劇增加，適用于2~3層小樓房的傳統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足幾十層甚至更高的現(xiàn)代高樓大廈的需求了，軟件開發(fā)面臨著越來越多的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。為了更好地開發(fā)出功能更加強(qiáng)大、更為復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)學(xué)者與技術(shù)人員在20世紀(jì)90年代初，提出了軟件體系結(jié)構(gòu)即軟件架構(gòu)。顧名思義，軟件架構(gòu)以類似建筑學(xué)的觀點(diǎn)來構(gòu)造軟件系統(tǒng)，它能夠在給出滿足所有技術(shù)需求的解決方案的同時(shí)，優(yōu)化諸如質(zhì)量、安全性和可管理性之類的通用質(zhì)量屬性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性、強(qiáng)壯性、靈活性、性能、功能、成本、可維護(hù)性和整體成功產(chǎn)生重大影響。6.1.1架構(gòu)設(shè)計(jì)“軟件體系結(jié)構(gòu)”一詞多用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域使用，“軟件架構(gòu)”多用于工程實(shí)踐領(lǐng)域，二者的英文名都是“SoftwareArchitecture”，在IEEE中的定義均為：“一個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)組織，包含各個(gè)構(gòu)件、構(gòu)件互相之間與環(huán)境的關(guān)系，還有指導(dǎo)其設(shè)計(jì)和演化的原則?！避浖軜?gòu)師設(shè)計(jì)軟件構(gòu)架，以作為滿足不同客戶需求的實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)，包括軟件的模塊化、模塊之間的交互、用戶界面風(fēng)格、對(duì)外接口方法、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)特性、以及高層事物的對(duì)象操作、邏輯和流程。軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)是大型軟件系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。6.1.1架構(gòu)設(shè)計(jì)基于同一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)，可以創(chuàng)建具有不同功能的多個(gè)軟件系統(tǒng)。在軟件產(chǎn)品族之間共享體系結(jié)構(gòu)和一組可重用的構(gòu)件，可以增加軟件工程的質(zhì)量和降低開發(fā)和維護(hù)成本。如何選擇一個(gè)好的框架應(yīng)用在項(xiàng)目中，對(duì)項(xiàng)目開發(fā)的效率、可重用及成功是至關(guān)重要的。軟件架構(gòu)師需要有廣泛的軟件理論知識(shí)和相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施和管理軟件產(chǎn)品的高級(jí)設(shè)計(jì)。6.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)（DataBase,DB）是永久性地存儲(chǔ)和組織大量數(shù)據(jù)的“倉(cāng)庫(kù)”，是大量數(shù)據(jù)的集合。數(shù)據(jù)庫(kù)DataBase6.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)若目標(biāo)軟件系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)庫(kù)，則需要根據(jù)目標(biāo)軟件系統(tǒng)的需求，選擇適合的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)；根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)在已選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上創(chuàng)建該數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的主要挑戰(zhàn)是“高速處理大容量的數(shù)據(jù)”。數(shù)據(jù)庫(kù)的性能取決于兩方面：數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)6.1.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)有兩種類型：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)6.1.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)1、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（RelationalDataBase）6.1.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（StructuredQueryLanguage,SQL）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（StructuredQueryLanguage,SQL）來對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。SQL是為數(shù)據(jù)庫(kù)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，它能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的CRUD操作（增加create，查詢r(jià)equire，更新update，刪除delete），及求和、排序等功能。SQL可以采用類似索引的方法來加快查詢操作。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理更合適，如學(xué)生成績(jī)、訂單信息、產(chǎn)品信息等。6.1.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)2、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（NoSQL）NotOnlyStructuredQueryLanguage優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在大數(shù)據(jù)量下的讀寫性能好；能滿足隨時(shí)存儲(chǔ)自定義數(shù)據(jù)格式需求，非常適用于大數(shù)據(jù)處理工作。NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理更合適。如文章、評(píng)論，這些數(shù)據(jù)如全文搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)通常只用于模糊處理，并不需要像結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)一樣，進(jìn)行精確查詢，而且這類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)規(guī)模往往是海量的，數(shù)據(jù)規(guī)模的增長(zhǎng)往往也是不可能預(yù)期的，而NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展能力幾乎也是無限的，所以NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)可以很好的滿足這一類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。6.1.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem,DBMS）是一個(gè)能夠科學(xué)地組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，高效地獲取和維護(hù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)軟件，是位于用戶和操作系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)管理軟件。主要功能數(shù)據(jù)定義、組織、存儲(chǔ)、操作、事務(wù)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)建立和維護(hù)管理、以及跟其他軟件系統(tǒng)通信等。6.1.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)用戶通過DBMS訪問數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理員通過DBMS進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)工作

——數(shù)據(jù)庫(kù)管理員（DataBaseAdministrator，DBA）DBMS提供多種功能，可使多個(gè)應(yīng)用程序和用戶用不同的方法在同時(shí)或不同時(shí)刻去建立、修改和詢問數(shù)據(jù)庫(kù)。它使用戶能方便地定義和操縱數(shù)據(jù)，維護(hù)數(shù)據(jù)的安全性和完整性，以及進(jìn)行多用戶下的并發(fā)控制和恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)。6.1.2.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)（DatabaseDesign）是指根據(jù)目標(biāo)軟件系統(tǒng)的需求，在某一具體的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和建立數(shù)據(jù)庫(kù)的過程。絕大部分永久性數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)軟件系統(tǒng)的重要性不言而喻。只有設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)庫(kù)，才能提高軟件系統(tǒng)的整體性能，才能為用戶提供更高質(zhì)量的服務(wù)。6.1.3功能模塊設(shè)計(jì)如果一個(gè)問題由多個(gè)問題組合而成，那么這個(gè)組合問題的復(fù)雜程度將大于分別考慮這些問題的復(fù)雜程度之和。軟件系統(tǒng)功能模塊化就是將程序劃分成若干個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊完成一個(gè)子功能，再把這些功能模塊總起來組成一個(gè)整體，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的功能要求。要選擇合適的功能模塊數(shù)量。6.1.3功能模塊設(shè)計(jì)血液循環(huán)系統(tǒng)淋巴系統(tǒng)呼吸系統(tǒng)消化系統(tǒng)內(nèi)分泌系統(tǒng)......銷售管理采購(gòu)管理倉(cāng)庫(kù)管理生產(chǎn)計(jì)劃管理財(cái)務(wù)管理……子系統(tǒng)人體企業(yè)管理信息系統(tǒng)6.1.3功能模塊設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)原則：高內(nèi)聚&低耦合通過抽象、數(shù)據(jù)封裝和信息隱藏，可以做到高內(nèi)聚、低耦合。6.1.4數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)曾經(jīng)流行的一種說法：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)﹢

算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法如同人的神經(jīng)和肌肉，它分布在全身，讓軟件模塊能夠發(fā)揮功能。6.1.5用戶界面設(shè)計(jì)用戶界面（UserInterface,UI）——人的外在形象用戶界面設(shè)計(jì)是指對(duì)軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互、操作邏輯、界面美觀的整體設(shè)計(jì)。實(shí)用適用友好美觀6.2面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)概要面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)包括4項(xiàng)主要工作：構(gòu)建交互圖：為在OOA階段獲得的每一個(gè)用例情景構(gòu)建交互圖，即時(shí)序圖或協(xié)作圖。完成類圖：基于交互圖和OOA階段獲得的初始類圖，完成一個(gè)涵蓋所有的類及其屬性和方法的詳細(xì)類圖，這些類包括實(shí)體類、邊界類和控制類。構(gòu)造客戶-對(duì)象關(guān)系圖：該圖的重點(diǎn)是類的層次關(guān)系。方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)：對(duì)每一個(gè)類中的每個(gè)方法中的算法或邏輯進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。6.3交互圖6.3交互圖UML交互圖InteractionDiagram，描述每一個(gè)用例情景實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)象之間的交互內(nèi)容和交互過程。交互圖分為兩種：順序圖協(xié)作圖它們描述的對(duì)象是相同的，即參與該用例情景的對(duì)象們、以及對(duì)象之間傳遞的消息message，但是表達(dá)方式不同。順序圖順序圖SequenceDiagram，時(shí)序圖、序列圖強(qiáng)調(diào)順序、時(shí)序，即對(duì)象之間傳遞的消息流的序列、以及每一條消息的發(fā)送者和接收者。序列圖通常描述的是對(duì)象層次，而不是類層次。順序圖包括的要素有：參與者實(shí)例對(duì)象生命線對(duì)象之間傳遞的消息及其次序順序圖參與者actor實(shí)例，2種命名方式：參與者實(shí)例名:參與者名:參與者名順序圖對(duì)象（object），2種命名方式：對(duì)象名:類名:類名順序圖在順序圖中，需要標(biāo)識(shí)出來邊界類對(duì)象和控制類對(duì)象，在對(duì)象名的下面用“<<boundary>>”或“<<GUI>>”、和“<<control>>”標(biāo)識(shí)其為邊界類對(duì)象或界面類對(duì)象、和控制類對(duì)象。順序圖生命線lifeline標(biāo)識(shí)對(duì)象的存在時(shí)段順序圖生命線包括兩種狀態(tài)：休眠狀態(tài)：休眠狀態(tài)下生命線由一條虛線表示，代表對(duì)象在該時(shí)間段內(nèi)沒有信息交互。激活狀態(tài)：激活狀態(tài)就是激活期，用條形小矩形表示，代表對(duì)象在該時(shí)間段內(nèi)有信息交互。順序圖有的順序圖中，在生命線的上出現(xiàn)

，是消除對(duì)象的標(biāo)記，表示該對(duì)象的生命周期到此終結(jié)，該對(duì)象從系統(tǒng)中徹底銷毀。順序圖對(duì)象之間通過相互間的消息message傳遞來實(shí)現(xiàn)對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，而達(dá)成相互協(xié)作。在UML順序圖中，用一條有向線段從消息發(fā)送方對(duì)象的生命線，指向消息接收方對(duì)象的生命線，來顯示一個(gè)對(duì)象傳遞消息給另一個(gè)對(duì)象或其自身。消息線要有描述，用來表示兩個(gè)對(duì)象之間具體的交互內(nèi)容。其中，操作和命令類的消息用實(shí)線表示，數(shù)據(jù)類的消息用虛線表示。順序圖消息可從一個(gè)對(duì)象傳遞給另一個(gè)對(duì)象順序圖消息可傳遞給對(duì)象自身，即自我調(diào)用順序圖消息可參與者實(shí)例與系統(tǒng)中的對(duì)象進(jìn)行交互順序圖消息的無條件發(fā)送順序圖消息的條件發(fā)送順序圖消息的循環(huán)發(fā)送順序圖消息的循環(huán)發(fā)送順序圖方法的分配誰擁有該方法，就應(yīng)該把該消息發(fā)送給誰；反之，消息發(fā)送給誰，也就意味著該方法分配給誰。方法的分配，集中體現(xiàn)了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則“職責(zé)驅(qū)動(dòng)”，所以面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)也稱職責(zé)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)Responsibility-DrivenDesign。構(gòu)建順序圖的步驟與原則確定交互過程上下文，要詳細(xì)審閱有關(guān)資料，包括需求、用例建模、類建模和動(dòng)態(tài)建模等文檔。識(shí)別參與交互過程的對(duì)象，通過對(duì)用例情景實(shí)現(xiàn)過程的設(shè)計(jì)，識(shí)別在其實(shí)現(xiàn)過程中需要交互的對(duì)象，包括邊界類、控制類、和實(shí)體類。在順序圖的上部列出所選定的一組對(duì)象（應(yīng)該同時(shí)給出其類名），并為每個(gè)對(duì)象設(shè)置生命線。通常按照閱讀習(xí)慣，把發(fā)起交互的對(duì)象放在左邊。構(gòu)建順序圖的步驟與原則按照通常的閱讀習(xí)慣，一個(gè)順序圖中的第一條消息從頂端開始，并且一般位于圖的左邊，然后將繼發(fā)的消息加入圖中，稍微比前面的消息低些。全部消息按照發(fā)生的先后，從上向下縱向排列，而且全部消息從序號(hào)1開始排序，以減少歧異、便于閱讀。如果因?yàn)闂l件判斷出現(xiàn)多個(gè)分支，則用A、B、C等字母區(qū)分個(gè)分支，從而消息序號(hào)可能如6A、6B、6C、12A、12B等。構(gòu)建順序圖的步驟與原則確定消息將怎樣或以什么樣的序列在對(duì)象之間傳遞。從首先發(fā)出信息的對(duì)象的視角，確定它需要哪些對(duì)象的協(xié)作，而它又向哪些對(duì)象提供協(xié)作。關(guān)于消息的指向，要進(jìn)行深入的分析與設(shè)計(jì)，它體現(xiàn)的是面向?qū)ο蠓缎偷暮诵脑瓌t職責(zé)驅(qū)動(dòng)和信息隱藏，是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的核心問題之一。案例1：教學(xué)管理信息系統(tǒng)中用例“學(xué)生登錄”

（采用的技術(shù)路線是JavaWeb）協(xié)作圖協(xié)作圖（CollaborationDiagram）順序圖強(qiáng)調(diào)用例情景實(shí)現(xiàn)過程中操作發(fā)生的時(shí)間先后順序，而協(xié)作圖強(qiáng)調(diào)的是用例情景實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)象之間的協(xié)作關(guān)系；順序圖中有對(duì)象生命線，而協(xié)作圖中沒有；時(shí)序圖和順序圖在語(yǔ)義上是等價(jià)的，二者之間可以相互轉(zhuǎn)換，但二者并不能完全相互替代。圖書館管理信息系統(tǒng)中“借書”用例的協(xié)作圖6.4詳細(xì)類圖用例情景交互圖的完成，即意味著挖掘即設(shè)計(jì)出了所有可能涉及到的類（包括邊界類、界面類、控制類、和實(shí)體類）、以及每個(gè)類的職責(zé)即方法?；诿嫦?qū)ο蠓治鲭A段獲得的初始類圖，補(bǔ)充上實(shí)體類的方法、以及邊界類、界面類、和控制類。再確定這些類之間的關(guān)系，即可獲得目標(biāo)軟件系統(tǒng)的詳細(xì)類圖。電梯控制系統(tǒng)詳細(xì)類圖6.5客戶-對(duì)象關(guān)系圖類圖并不能反映類之間的層次關(guān)系，而客戶-對(duì)象關(guān)系圖（Client-ObjectRelationDiagram）就是要重點(diǎn)反映這些類的層次關(guān)系。類之間消息的傳遞就反映出這種客戶-對(duì)象關(guān)系，消息的發(fā)送方就是客戶，信息的接收方就是對(duì)象。在客戶-對(duì)象關(guān)系圖中，用箭頭從客戶指向?qū)ο蟆?.5客戶-對(duì)象關(guān)系圖6.6方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)階段不可或缺的工作。通常，采用程序描述語(yǔ)言（PDL,programdescriptionlanguage），或偽代碼（pseudocode）來對(duì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，它是介于自然語(yǔ)言和編程語(yǔ)言之間的一種語(yǔ)言。6.6方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)以某登錄順序圖中控制類LoginServlet中的方法run()為例，對(duì)其利用pseudocode做以一部分詳細(xì)設(shè)計(jì)：（假設(shè)采用的編程語(yǔ)言為面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言Java） ......sendmessage(userNameandpassword)toUsertovalidate;if(thestudentisvalid){createaWelcomeGUI;}else{sendfailuremessagetoLoginGUI;}......6.7面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的迭代與測(cè)試面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)的過程本質(zhì)上就是迭代的，因此面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)過程就是基于上一個(gè)階段即面向?qū)ο蠓治龅慕Y(jié)果，進(jìn)行面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，包括順序圖、詳細(xì)類圖、客戶-對(duì)象關(guān)系圖、以及方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)，而且要經(jīng)過不斷的